（农业工程专业论文）碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁结构的研究.pdf

摘要 钢筋混凝土桥梁在使用过程中由于自然环境、使用功能改变、损伤累积等因素的影响，将直 接导致结构材料劣化及承载潜力下降。同时，随着时间的推移，大量的钢筋混凝土桥梁将步入老 化期，这些因素对结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影响。面对日益艰巨的公路钢筋 混凝土危旧桥梁改造任务，急需找到一种快速、有效、可靠的加固维修方法。碳纤维增强复合材 料加固混凝土结构技术是一项新型、筒捷、快速的混凝士结构加固技术，深受国内外学者的重视 并已得到了较为广泛的应用和发展。本文结合山东省交通厅科研项目碳纤维复合材料( c f r p ) 在桥梁加固中的应用研究，对粘贴碳纤维布加固混凝土结构技术用于公路桥梁加固领域的关键 技术进行了深入的研究，主要的研究内容包括：模拟实际桥梁的损伤状态，系统研究了钢筋混凝 土梁的抗弯加固、抗剪加固受力性能，在此基础上提出了碳纤维布加固梁受弯承载力、受剪承载 力计算公式的建议。经与试验值对比，所建议公式具有较高的可靠性，可用于实际结构的抗弯加 固设计。同时，为研究粘贴碳纤维布对桥梁结构的加固效果，选取具有代表性且受力明确的公路 钢筋混凝土桥粱( 简支粱桥与整体现浇板桥) ，分别进行了加固前后的对比性荷载试验。试验结 果表明粘贴碳纤维布可有效减小裂缝宽度、降低混凝土应变水平、提高上部结构整体受力的能力。 关键词：碳纤维布；加固；钢筋混凝土；桥梁 i i a b s t r a c t r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sb e c o m es t r u c t u r a l l yd e f i c i e n tf o rs e v e r a lr e a s o n s ，i n c l u d i n gc o r r o s i o n o f s t e e l ，i n c r e a s e si na l l o w a b l et r u c kw e i g h t s ，d e t e r i o r a t i o nd u et oa g ea n de x p o s u r et od e i c i n gs a l t s a l l t h e s er e s u l ti na l lu r g e n tn e e dt os t r e n g t h e nm a n yo f t h e s eb r i d g e sw i t i lm e f f e c t i v ea n dr e l i a b l em e t h o d f o rn u m e r o u sd e t e r i o r a t e d ，u n d e r r a t e d ，a n do v e r l o a d e da g i n gb r i d g a si no u rc o u n t r y , e x t e r n a l l yb o n d e d c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) s h e e ti sa l le f f i c i e n tt e c h n i q u et or e t r o f i to rs t r e n g t h e ne x i s t i n g b r i d g e sd u et ot h e i rh i g ht e n s i l es t r e n g t h ，l i g h tw e i g h t ，r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n ，h i g hd u r a b i l i t y , a n de a s e o fi n s t a l l a t i o n c o m b i n i n gw i t i lt h er e s e a r c hp r o g r a m a p p l i c a t i o no fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) f o rs t r e n g t h e n i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s o fs h a n g d o n gp r o v i n c e ，t h ek e yt e c h n i q u e so f a p p l i c a t i o no fc f r pc o m p o s i t et os t r e n g t h e nr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sa r es t u d i e d n em a j o r c o n t e n t sa r em a i n l ys u m m a r i z e d f o l l o w ：a ne x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e do nt h e p e r f o r m a n c eo fr e i n f o r c e d c o n c r e f t eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r ea n di ns h e a r t h ev a r i a b l e s i n v e s t i g a t e di nt h i sp r o g r a mi n c l u d ep r e - c r a c k i n gl o a d ，i n s t a l l a t i o nl o a dl e v e la n dt e n s i o nr e i n f o r c e m e n t r a t i o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t h e n i n gp r e - c r a c k e db e a mw i t hc f r pc a nn o to n l y e n h a n c ei t ss 廿f h l a s s b u ta l s od e c r e a s ec r a c kw i d t ho nt h es u r f a c eo fb e r i l l sa n dr e d u c et e n s i l es t r a i no f s t e e l d e s i g na l g o r i t h m si ns p e c i f i c a t i o n sf o rh i g h w a yb r i d g e sa n dc u l v e r t s ( j 1 0 2 1 _ 8 5 ) f o r m a ta s w e l la sc o d ef o rd e s i g no f c o n c r e t es t r u c t u r e s ( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 )f o r m a ta r ep r o p o s e dt op r e d i c tt h e c a p a c i t yo fa v a i l 曲l eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r ea n di ns h e a rw i t hc f p p r e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dd e s i g na p p r o a c hi sc o n s e r v a t i v ea n da c c e p t a b l e f r ps y s t e m sh a v ea l r e a d yu s e dt o s t r e n g t h e nc o n c r e t eb r i d g e s ，a n dt h e r ei sa nu r g e n tn e e df o ri n f o r m a t i o nr e l a t i n gt ot h eb e h a v i o ra n d p e r f o r m a n c eo f t h e s es y s t e m sw h e nt h e ya r ea p p l i e dt or cb r i d g e s l o a dt e s t sw e r ec o n d u c t e d b e f o r e a n d a f t e r n s t a l l a t i o no ft h e1 a m i n a t es y s t e m t h em a i no b j e c t i v e sw e r et oe v a l u a t e t h r o u g ht h e b e f o r e a n d a f t e r i n s t a l l a t i o nl o a dt e s t i n g ，e f f e c t i v e n e s so f t h es t r e n g t h e n i n gs y s t e ma n di n v e s t i g a t ei t s e f f e c to ns t r u c t u r a lb e h a v i o rt e s t sr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t h e n i n gr ci n t e g r a lb r i d g e sa n d s i m p l y - s u p p o r t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sw i t he x t e r n a l l yb o n d e dc f r pr e i n f o r c e m e n tc a l ln o to n l y r e d u c et h ew i d t ho fc r a c k sa n ds t r a i n si nc o n c r e t e ，b u ta l s oi m p r o v et h et r a n s v e r s el o a dd i s t r i b u t i o ni n s u p e r s t r u c t u r e k e yw o r d s ：c f r ps h e e t s ；s t r e n g t h e n e d ；r e i n f o r c e dc o n c r e t e ；b r i d g e s i i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 时间：哆舌年多月，尹日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 撕 训讥嗡 j 、 时间 纠年；月，夕曰 时间； 咖年3 月f 7 日 土雷銮錾銮堂巫圭誊垡鲨銮薹= 耋：i 直 第一章引言 1 1 研究背景 桥梁是公路的主要组成部分，维护桥梁的使用状态是确保公路畅通、行车安全的关键。随着 科技的进步，社会工业化水平不断提高，车辆载重、车辆速度、车辆流量都较以前发生了很大的 变化，人们对公路的服务水平也提出了较高的要求，从而增加了公路管理部门的工作难度。然而， 由于受到车辆以及各种环境因素的作用和影响，公路桥梁在使用期内将产生一系列病害，如混凝 土材料的劣化、钢筋锈蚀等病害，同时，随着时间的推移，大量的公路混凝土桥梁将步入老化期， 这些因素对桥梁结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影响，不同程度地造成桥梁承载 潜力降低，甚至危及桥梁的安全运营。这一矛盾在世界各国的公路桥梁上普遍存在，如美国有5 0 的公路桥梁是1 9 4 0 年以前修建的，截至2 0 0 0 年8 月，全国共有桥梁5 8 7 7 5 5 座，其中1 6 7 9 9 3 存在不同程度的结构性缺陷( 如承载潜力不足、使用功能丧失等) 1 “。在我国，国内各省市均面 临着艰巨的危旧桥梁改造任务，特别是修建丁- 5 0 、6 0 甚至7 0 年代的钢筋混凝土桥梁，经过3 0 - - 5 0 年的运营，由于混凝土老化及重车等因素的作用，破损较为严重，全国大中桥荷载标准为汽 一1 0 级以下的约占8 6 ，有1 1 7 延米”1 。截至2 0 0 2 年，j “东省的干线公路网上仍有2 0 8 0 座荷 载标准低丁汽一l o 级的低等级公路旧桥，占到了该省公路桥梁总数的2 0 “。到2 0 0 0 年底，江 西省桥梁总数合计达8 5 2 2 座，其中危桥3 6 7 座，近4 0 分布于国道、省道等干线公路上”1 。山 东省在役桥梁的荷载标准、运营状况同样不容乐观。在上述公路旧桥中，多数是按照早期的设计 规范( 如7 0 年代以前主要仿照前苏联的标准图) 设计施工的，设计标准很低，一般的设计荷载为 汽车一1 3 级，验算荷载为拖车- - 6 0 ，甚至更低。这一类旧桥数量较大，己远远无法满足现在常见 交通荷载的需要，必需采取一定的措施予以维修加固。特别是近年来国内陆续发生了数起公路桥 梁因耐久性不足或设计施工缺陷等因素导致桥梁承载能力丧失的垮塌事故，对人民群众的生命安 全构成严重威胁，引起了国家交通主管部门对危旧桥梁的高度重视，要求对全国的危旧桥梁进行 彻底的检查，并进行必要的加阎维修以确保行车的安全。交通部在管理科学养护与规范化管理 纲要中( 1 9 9 1 至2 0 0 0 ) 提出；“到本世纪末，基本消灭国省干线上的危桥，并初步达到通行国 际标准集装箱车辆的标准”。目前来看，尽管历史已经进入2 1 世纪，但要到达纲要上制订的这个 目标，还有相当大的距离。基于这一严峻现实，桥梁加固己成为近年来桥梁工程界较为关注的研 究课题，我国学者已展开了相关的研究工作”。1 。 面对日益艰巨的公路钢筋混凝士危旧桥梁改造任务，急需找到一种快速、有效、可靠的加固 维修方法，以便尽快实现纲要目标，这大大增加了公路养护部门在危旧桥梁加固改造方面的 工作难度。碳纤维增强复合材料加固混凝土结构技术是一项新型、简捷、高效的混凝土结构加固 技术，深受国内外学者的重视并已得到了较为广泛的应用和发展。该技术充分应用了碳纤维增强 复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称c f r p ) 所特有的高比强度、高比模量、耐 腐蚀、抗疲劳、抗蠕变及热膨胀系数小等优点，为混凝土结构加固技术注入了新的活力“。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 粘贴碳纤维片在抗弯加固领域的研究现状 粘贴碳纤维片加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该领域的研 究起步较早，相应的研究成果较多。其中早期的研究成果主要以完整梁的抗弯加固受力性能为主 。”。研究手段大都采用加固钢筋混凝土小粱室内试验，通过与参考梁的对比，分析粘贴碳纤维 布对加固钢筋混凝土试验梁抗弯强度、跨中挠度、受拉钢筋应变、裂缝宽度与形态以及破坏模式 的影响，从而对粘贴加固效果做出合理的评价。国内现有的研究成果大都采用了上述研究方法”。 在已有的研究方法中，碳纤维布主要粘贴于加固粱的受拉面，也有少数学者针对我国相关技术规 程对侧面粘贴的抗弯加固效果进行了试验验证。根据已有研究的加载方案，国内外学者对一次受 力问题研究的较多，对二次受力问题( 持载加固问题) 研究较少”“。通过对基于完整粱以及二次 受力( 保持荷载情况) 抗弯加固受力性能的试验研究，目前己就下述结论达成了共识： ( 1 ) 随着碳纤维布粘贴层数的增加，加固梁的破坏形式由碳纤维布的拉断转化为受压区混凝 土的压溃或界面剥离破坏； ( 2 ) 在梁的受拉区粘贴碳纤维布可显著提高粱的承载能力在不达到超筋限制并确保粘 结锚固可靠的前提下，提高幅度与粘贴层数及配筋率有关； ( 3 ) 粘贴碳纤维布可提高加固梁在加载后期的抗弯刚度，但对弹性受力阶段的刚度改善效果 不明显，抗弯刚度的提高幅度与碳纤维布的粘贴层数有关； ( 4 ) 粘贴碳纤维布可有效抑制加载后期的裂缝，但对提高开裂弯矩以及改善早期开裂的效果 并不显著； ( 5 ) 当加载小于6 0 - 7 0 极限荷载的情况下加固梁的复合截面仍能很好地满足平截面假定。 开裂后，碳纤维布与混凝土复合截面般不再满足严格意义上的平截面假定； ( 6 ) 达极限状态时，即使发生碳纤维布的拉断破坏，碳纤维布的实测拉应变仍远小于碳纤维 片材的极限拉应变，即粘贴于加固粱上的碳纤维布( 板) 存在一个综合强度的问题； ( 7 ) 在没有可靠锚固措旌的情况下，多数加固梁发生了碳纤维布的剥离。加固梁的破坏模式 具有明显的脆性特征，发生剥离破坏加固梁的极限承载能力甚至低于未加固的参考梁； ( 8 ) 附加的端部锚固及局部加强措施( 如碳纤维布u 型箍条或压条) 可有效防止碳纤维布的 剥离，明显提高破坏时的跨中挠度和截面曲率，确保加固梁发生延性破坏； ( 9 ) 粘贴等量碳纤维布加固梁的极限承载能力几乎不受粘贴加固过程中持载程度的影响，但 持载加固对抑制加固粱裂缝扩展及提高刚度是不利的。 以上研究成果解决了粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的基本受力性能，为这一技术的深入研 究及推广应用奠定了一定的基础。然而，由于只是针对完箍梁或少数持载加固粱所进行的研究， 无法解释某些公路桥梁粘贴碳纤维布加固前后受力性能的变化规律”3 ，这就需要针对实际公路桥 梁的破损特点进行更深入的研究，因此，关于加固破损梁受力性能的研究显得尤为重要。 在现有危旧桥梁中，抗弯不足的钢筋混凝土受弯构件占了主要部分，是危旧桥梁加固改造面 临的主要矛盾，是各省公路管理部门近期解决的重点加固对象。对在役钢筋混凝士桥梁而言，加 2 土冒奎娑盔兰鎏土兰篷鲨吝莲= 耋豇i 固主要解决两类问题，一是因桥梁使用功能改变如提高荷载等级而导致原结构承载能力不足，二 是因桥梁设计标准低或超载车辆过多以及受力构件钢筋锈蚀、混凝土劣化等因素导致的结构性破 损。经过多年的运营，这两类桥一般都是带缝工作的前者由于只是经受正常荷载作用或超载并 不严重，车辆荷载通过后，裂缝几乎可以闭合，而后者的承载潜力相对降低，在经常的超载作用 下，裂缝区的钢筋因长期处于高应力状态而发生徐变。即使桥上没有车辆荷载通过，裂缝也不会 全部闭合，即存在一定宽度的残余裂缝，属破损的钢筋混凝土梁。根据已有的文献。加固预裂梁 与加固完整梁的受力性能是不同的，因此，必须针对公路桥梁的破损特点研究加固预裂梁的受力 性能，以便为粘贴碳纤维布加固技术用于桥梁加固领域提供可靠的依据。 现有的粘贴碳纤维布加固公路桥梁荷载试验表明4 “4 ，粘贴碳纤维片可明显增加破损主梁 的抗弯刚度，改善梁底混凝土以及受拉钢筋的应变水平，有效抑制混凝土开裂。根据实际公路桥 梁的荷载试验结果以及现有的基于完整加固梁的有关结论，加固完整梁与加固预裂梁在正常使用 荷载情况下的受力性能有着较大的差异，这主要表现在加固梁受拉区钢筋、混凝土的应变降低幅 度以及刚度提高程度等方面。而国内外对预裂梁的研究成果比较少，且没有对试验梁在加固前后 基于正常使用状态下的受力性能进行有效的对比性研究，因此难以解释实际桥梁的加固效果。尽 管存在以上不足，少量的基于预裂粱的研究成果仍为该技术在桥梁加固领域的应用具有积极的指 导意义。 1 2 。2 粘贴碳纤维片在抗剪加固领域的研究现状 粘贴碳纤维片抗剪加固钢筋混凝土梁受力性能方面的研究成果较少，试验成果耍远远少于抗 弯加固方面的研究成果，这主要是由于抗剪加固问题比较复杂造成的。现有的研究成果主要为粘 贴方式对抗剪加固性能影响方面的试验研究，且以国外学者的研究成果为主。我国学者在该领域 研究不多，研究内容比较分散，未能形成系统化的可供工程应用的抗剪加固研究成果。 对于抗剪加固的研究，部分研究者把抗弯、抗剪加固结合起来，研究综合加圃的效果。t o m n o r r i s 等人( 1 9 9 7 年) 对小尺寸梁的全包加固的抗剪、抗弯效果进行了试验研究，纤维片分为 单向纤维布垂直梁轴线粘贴和两层纤维片与梁轴线成4 5 0 方式粘贴。由于梁尺寸较小( 仅 1 2 2 m ) ，所得出的结论具有一定的局限性”。k a c m a k e vn 对大尺寸梁进行7 相应的研究，出于 试验研究是针对拟加固桥梁而进行的模型试验，综合考虑了试验梁的抗弯、抗剪加固效果，而对 抗剪研究的目的不明确，所得结论没有通用性“。其它类似研究成果也因研究目的单一或不明确 以及试件尺寸偏小而未能得到有益的结论。之后，东南大学的吴刚在对2 0 根截面为1 5 c m x3 0 c m 、 长为2 m 钢筋混凝土抗剪加固试验的基础上，研究了粘贴碳纤维布抗剪加固梁的破坏模式、受力 性能等内容，并提出了加固梁受剪承载能力计算公式。试验梁的加固方案主要以垂直梁轴线的u 型粘贴为主，侧面粘贴及全包加固型式各一根作为对比。夏春红等通过试验考察了不弼粘贴方式 对抗剪加固效果的影响，其中涉及到了侧面斜向4 5 0 粘贴方式的加固效果，试验结果表明斜向粘 贴对裂缝具有很好的抑制作用这一结论已在相关研究成果中得到了验证，同时也证实了斜向粘 贴或垂直梁轴线粘贴碳纤维布几乎不影响加固梁的受剪承载能力。 在现有文献中，针对大尺寸抗剪试件的研究成果非常少。鉴于这一事实，d a v i da l a ns c b n e r c h ( 2 0 0 1 年) 研究了粘贴碳纤维布( 也涉及到玻璃纤维) 抗剪加固大尺寸梁的受力性能，试验梁包 3 主雷盔錾盔誊堡圭喾售鲨銮 - - 互= 耋丑亘- 括两组，第一组由实际桥梁上的t 型主梁分割而成，第二组为现浇t 型梁。试验结果表明，达到 抗剪极限状态时，大尺寸梁上碳纤维布的实测应变要大于现有文献基于小尺寸梁的碳纤维布应变 值，且加固后试验梁的斜裂缝宽度小且数量增加。2 0 0 2 年，0 m a rc h a a l a l 等人也对大尺寸t 型 截面梁的抗剪加固问题进行了深入的研究，试验共计制作了1 4 根长为6 ，l m 的t 型截面梁，重点 研究了腹板全包加固方式的最优加固量、有效应变、刚度变化等内容，得到了较好的研究成果。 粘贴碳纤维布抗剪加固的最终目的在于建立完善的抗剪加固粱受剪承载能力计算方法。在现 有文献中，多数研究者提出了粘贴碳纤维布抗剪加固计算方法，其中以基于a c i 规范形式的计算 公式研究最为广泛。我国研究者根据混凝土结构加i 瑚技术规范提出了相应的计算方法，但由 于采用的试验数据较少，难以用于工程实际。在现有抗剪加固计算方法中，合理确定抗剪加固梁 碳纤维布有效平均应变是正确计算加固粱受剪承载能力的关键，因此，关于有效平均应变的研究 一直是抗剪加固研究的热点。结合室内试验数据，国外学者在该领域做了卓有成效的研究工作， 提出了多种粘贴碳纤维片有效平均应变计算公式。 t r i a n t a f i l l o ut c ( 1 9 9 8 年) 在综合已有抗剪加固数据的基础上根据欧洲模式规范( e c 2 1 9 9 2 ) 公式形式，通过反算、回归分析等手段，首次建立了抗剪加固梁纤维布有效平均应变计算 公式，并于2 0 0 0 年提出了基于不同破坏模式的有效应变计算方法。根据t r i a n t a f i l l o ut c 有效平均应变计算理论，a h m e dk h a l i r a 等人( 1 9 9 8 年) 在引用更多试验数据的基础上，对 t r i a n t a f i l l o ut c 有效应变模型进行了修正，新的有效应变模型消除了不同纤维材料极限应 变的影响，在计算具有不同极限应变纤维的有效应变时更加方便。之后，a h m e d k h a l i f a 等人( 2 0 0 0 年) 研究了粘贴碳纤维片加固t 型梁的抗剪性能，共制作了6 根长3 0 5 m ，高0 4 0 5 m 的t 型截面 梁，并对其中5 根采用5 种不同的粘贴加固方式，分别为不带端锚固的u 型全包、2 层纤维0 0 9 0 0 侧贴、u 型条带、侧贴条带无上下锚固以及带端锚固的u 型全包。研究结果表明，对于以剥离为 破坏形态的抗剪加固存在一个有效加固量的问题，当加固量大于有效加固量时，将不会增加加固 粱的抗剪强度，同时，可靠的端锚同措旆可有效提高加固梁的抗剪能力。2 0 0 2 年，研究者又对简 支矩形截面粱抗剪加固后的受力性能进行了系统的研究，试验包括1 2 根3 0 5 m 的混凝土矩形截 面梁，研究了配筋率、剪跨比、c f r p 加固量以及粘贴方式等因素对抗剪性能的影响。结合抗剪加 固梁的试验数据，a h m e dk h a l i r a 等人对基于a c i 规范格式的计算值与试验值进行了对比，从而 进一步验证了所提有效平均应变计算公式的可靠性。 综观国内外碳纤维复合材料在混凝士加固维修领域的研究成果，主要是针对工业民用建筑的 加固维修进行的，而结合混凝土桥梁构件加固维修的研究很少，成功的桥梁工程加固事例就更少 了，因此有必要对实际桥梁结构的加固维修进行必要的现场试验，同时，结合实际桥梁的破损特 点制定合理的室内试验计划，以弥补单纯模型试验尺寸效应的影响，为该技术在工程加固设计、 施工提供可靠的依据。 1 3 本论文的研究内容与思路 本课题拟在室内试验的基础上，有针对性地选取典型公路桥梁进行必要的野外试验研究，通 过比较室内试验数据与野外检测结果，可以更好地解释实际桥梁粘贴碳纤维片加固前后受力性能 的变化规律，而野外检测数据又可检验室内试验结果的合理性，以尽量避免尺寸效应的影响，可 4 圭雷奎些盔主鎏土兰售鲨吝 羞二耋z ii 一定程度上弥补国内外在这一领域研究中存在的不足，本文主要的研究内容包括： ( 1 ) 结合实际公路桥梁的破损特点，对粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土预裂梁的抗弯性能进行 了室内试验研究，共制作9 根2 7 m 的钢筋混凝土小梁，包括三种配筋率，分别对应着适筋梁中 的高、中、低配筋等三种情况。试验内容包括预裂程度、加固时的持载水平以及配筋率等因素对 加固钢筋混凝土梁刚度、裂缝、受拉钢筋应变以及抗弯承载能力等方面的影响程度。通过比较同 一根破损梁在加固前后的挠度、受拉钢筋应变的降低程度，避免了不同试验梁因几何尺寸、钢筋 位置以及材料力学性能等方面的差异而导致的试验误差，试验过程最大程度地模拟了实际桥梁加 固前后的受力状态，从而增加了室内数据与野外检测结果的可比性，使室内研究成果更具实用性。 ( 2 ) 合理界定加固后截面承载能力极限状态、界限破坏状态、界限加周量以及混凝士受压区 界限高度系数是正确计算加固后截面受弯承载能力的关键，而国内在该方面的定义比较模糊，给 设计人员合理应用公式造成了一定的困难，因此，本课题根据室内抗弯加固试验数据及国内外已 有的研究成果、规范，对上述问题进行了合理的界定，在此基础上，提出并建立基于现行公桥 规的碳纤维片加固抗弯构件正截面强度计算公式，同时，为使计算公式的应用具有一定的连续 性，兼顾了原公桥规以及混凝土结构设计规范的相关要求，最后，按照三种不同规范对 受弯承载能力计算公式的要求，计算了3 4 根抗弯加固试验梁的抗弯强度，在与相应试验值进行 对比的基础上，综合评价了基于不同设计规范抗弯加固梁受弯承载力计算公式的可靠性。 ( 3 ) 比较粘贴加固前后主梁( 板) 刚度、裂缝宽度、钢筋( 混凝土) 应变，可以评价粘贴碳 纤维布的加固效果，这是最直观的评价指标，而确保评价结果可信、可靠的关键是保证加固前后 加载位置、荷载大小的一致性。本课题选取具有代表性且受力明确的公路钢筋混凝土损伤桥梁( 简 支粱桥与整体现浇板桥) ，应用所建立的设计公式进行粘贴碳纤维布加固设计，并予以加固。为 检验加固效果，在桥梁加固前后分别进行了相应的荷载试验。为使试验数据具有可比性，最大限 度地保证试验桥( 孔) 加固前后荷载试验用加载车辆型号、轴载大小、加载位置的一致性。同时， 对用于加固前后对比的挠度测点位置、混凝土应变测点位置均进行了相应的保护或预留。通过比 较桥梁加固前后的荷载试验数据，分析了粘贴碳纤维布对主梁刚度、裂缝宽度、受拉区混凝土应 变水平以及结构整体受力能力的影响程度，验证了室内试验结果的合理性以及粘贴碳纤维布对实 际钢筋混凝土桥梁的加固效果。 ( 4 ) 界面粘贴失效或基面混凝土剥离是加固混凝土梁的主要早期破坏形态，目前对于端部剥 离机理的研究成果已经较多，本课题针对实际加固工程中常见的轴心受拉构件和受弯构件，定性 地分析了不同受力状态下剥离对加固构件受力性能的影响程度。最后，根据研究成果并结合实际 混凝土梁的损伤特点，提出加固设计施工过程中的注意事项和应采取的技术措施。 ( 5 ) 粘贴碳纤维布的抗剪加固问题是至今研究较少的内容，本课题将结合实际钢筋混凝土桥 梁的损伤特点，对1 9 根3 1 m 钢筋混凝土矩形截面梁进行抗剪加固试验，系统研究不同预裂程度 以及碳纤维布粘贴型式对抗剪加固梁抗剪承载能力、碳纤维布应变水平及破坏模式的影响机理。 试验参数包括配筋率、粘贴角度、加固量、端锚固形式、条带宽度、预裂程度、持载加固以及剪 跨比等八个方面。通过对试验数据的分析，为实际工程的抗剪加同设计提供合理的建议。 ( 6 ) 为建立粘贴碳纤维布抗剪加固粱中碳纤维片受剪承载能力计算方法，本课题将综合国内 外的最新研究成果，建立与现行桥梁规范以及即将颁布的新的桥梁设计规范相适应的抗剪加固梁 中碳纤维布抗剪承载能力计算公式，并重点解决粘贴碳纤维布抗剪加固粱中碳纤维布的有效平均 主冒銮些銮誊霉土喾甚鎏銮羞= 耋21 直 应变问题，在此基础上，提出合理的抗剪加固梁中碳纤维布抗剪承载力计算公式。最后，根据本 课题以及国外文献中抗剪加固梁的试验结果检验所提公式的可靠性。 6 第二章粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土预裂梁试验研究 2 1 前言 粘贴碳纤维布加固桥梁技术是一项新型桥梁加固技术。该技术因其施工方便、对原结构无损 伤而引起公路养护部门的重视。对在役钢筋混凝土梁式桥而言，粘贴加固主要解决两类问题，一 是因桥梁使用功能改变如提高荷载等级而导致原结构承载能力不足，二是因桥梁设计标准低或 超载车辆过多以及受力构件钢筋锈蚀导致的结构性破损。经过多年的运营，这两类桥一般都是带 缝工作的，前者由于只是经受正常荷载作用或超载并不严重，车辆荷载通过后，裂缝几乎可以闭 合，而后者的承载潜力相对降低，在经常的超载作用下，裂缝区的钢筋因长期处于高应力状态而 发生徐变。即使桥上没有车辆荷载通过，裂缝也不会全部闭合，即存在一定宽度的残余裂缝。确 保这两类桥的安全运营是目前公路养护部门工作的重点。对这两类桥梁加固设计时，设计人员不 仅要可靠地确定加固梁的极限承载能力，还要清楚地了解粘贴加固对正常使用状态下各项指标的 改善程度，这也是桥梁加固效果最直观的检验指标。然而，根据已有的室内试验研究成果o 4 3 ，粘 贴碳纤维布对钢筋混凝土简支梁的刚度提高幅度与应变改善程度并不大，这与某些钢筋混凝土桥 梁现场试验结果”是矛盾的。产生这一差异的主要原因是经过运营的桥梁不可避免的会出现局 部开裂现象，属于预裂的钢筋混凝土梁，加固后，预裂梁与碳纤维布的复合受力机理与完整梁是 不同的。基于这一工程实际，本文对预裂梁的粘贴加固效果进行了系统的试验研究和理论分析， 弥补了国内外在这一领域研究中存在的不足，为粘贴加固技术在桥梁加固方面的推广应用提供了 可靠的依据。 2 2 试验设计 本次试验共制作钢筋混凝土小梁9 根，截面尺寸为1 5 0 r m 2 5 0 r a m ，小粱全长为2 7 0 0 r a m 。试 验粱纵向主筋的配筋率取0 6 7 5 、1 3 8 6 及2 3 2 4 ，分别对应着2 尘1 2 、3 ( i ) 1 4 与2 中_ 2 2 。支点附 近箍筋采用+ 6 5i 级钢，箍筋间距为l o o m m ，跨中部分箍筋间距为2 0 0 r a m 。架立筋均采用2 m 8i 级 钢筋，试验梁的混凝土强度等级按c 4 0 设计。各试验梁的编号、相应材料性能及预裂情况见表2 1 i 试验项目与分组情况见表2 2 ，试验梁详细尺寸与钢筋构造见图2 1 ，试验采用三分点对称加载方 式，如图2 2 所示。 表21 试验梁基本参数 7 裹21 试验粱基本参数 试件编号混凝土标号配筋预裂程度 粘贴层数粘贴方式 f a 4 f 1 3 1 4 0 4 0 3 出1 4 2 出1 2 预加载至5 0 卸载 预加载至5 0 9 6 卸载 u 形箍端锚固 u 形箍端锚周 f c i4 02 血2 2预加载至5 0 卸载 l u 形箍端锚固 前将试验粱预先加载到基准粱极限荷载的5 帆或7 0 9 l 后卸载，阻下简称预裂粱，相应的预加荷载称为预裂荷载。 襄2 2 试验粱分组与研究内容 试验粱分组相应的研究内容 ，l s l 己4 口0 l 二一2 z q 1 5 e 猢滔 + 。一 j ( a ) f a 类试验粱 2 盟口u 2 2 0 0 薯目 一- - - - - 一 ( b ) f b 类试验梁 l 5 0 蘑亘耍重重画 瀚氡 卜斗1 i 二 np 4 n n1r 、1，。气f 1 一。 十。一十+ 7 n f 、 _ 一- 。- c - - - - - - - - - 一一j ( c ) f c 类试验粱 圈21 试验粱钢筋构造图钿n ) 8 上 一一荷载传感器 ，百分衰亡百i 再_ 自分表 j + 坐豆二三二三三：三三二三三三豆二_ = 工 (p百分表! ，5 ，之， * o 、。* 一j 二二l ! i * _ 坐# 围22 三分点对称加载装置示意围佃n ) 试验梁加固方案均采用在梁底粘贴一层1 5 0 m m 宽的t x d 一2 0 0 碳纤维布，两端部采用5 0 m m 宽 的碳纤维布u 形箍予以锚固，具体加固布置见图2 3 。 图23 试验粱粘贴加固布置图抽蚰) 2 3 试验材料基本力学性能检测结果 试验梁用混凝土设计强度等级为c 3 0 ，制作时，由于模板数量限制，分两组浇注混凝土，各 组实测混凝土立方体抗压强度见表2 3 。 表23 试验粱混凝土立方体强度 试验梁用钢筋均进行了抽样试验，重点检测了各类钢筋的屈服强度os 、极限强度0b 与极 限延伸率6 ，基本力学性能见表2 4 。 表24 钢筋基本力学性能 加固用碳纤维采用t x d - c 一2 0 布材，计算厚度为0 i l l m m 。按g b t 3 3 5 4 - 1 9 9 9 定向纤维增强 塑料拉伸性能试验方法及g b 1 4 4 7 8 3 玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法推荐的试验方法 制作抗拉性能试验试件，共计制作5 个碳纤维布( c f r p ) 试件，试件长2 5 0 m m ，宽1 6 m m 。待粘贴 9 昏 土雪奎錾盔堂耍土兰垡鲨銮羞三耋毡鳖蓝红答盔蛰雷塑堑鎏髦占鎏銎豳鍪翟錾 树脂固化后，在两端固定专门的夹具，达到强度后即可进行拉伸试验。试验采用连续加载直至破 坏，计算机自动采集各个加载瞬间的应变及荷载值。经对试验结果分析，该类碳纤维布的各项力 学指标见表2 5 。 表25 碳纤维布( t x d - c - 2 0 ) 基本力学性能 2 4 试验结果 2 4 1 试验梁检测结果 试验粱的极限荷载、钢筋及纤维布实测应变与破坏模式见表2 6 。各级荷载作用下的钢筋应 变及跨中挠度分别见表2 7 和表2 8 。 表26 试验结果 耧翟燃 嚣芝鬻篙竺i 勰0 - 6 ) 1 0 1 0 式 编号 尸一( k n ) m 一m ) t ( 1 ) 应燹占，一( 聃。9 f a 01 0 9 2 94 3 7 22 2 8 4 一一 f a i1 2 0 4 84 8 1 92 1 6 62 2 9 0 f a 21 2 5 2 75 0 ，1 11 7 2 8 43 2 4 5 f a 31 2 0 4 84 8 1 97 4 4 51 6 1 5 f a 41 2 0 4 84 8 1 95 1 7 35 3 2 3 f b 07 6 3 63 0 5 41 3 7 0 f b i9 1 3 93 6 5 62 0 2 88 9 8 1 f c 01 6 8 7 56 7 5 03 8 0 0 f c i1 6 0 4 46 4 1 85 9 5 86 1 1 5 碳纤维布拉断 碳纤维布拉断 碳纤维布拉断 碳纤维布拉断 碳纤维布拉断 混凝土压碎 注：l ，表中所列应变值单位为1 0 4 ( 微应变) ，以下同；2 ，由于纯弯段碳纤维布的断裂位置具有随机性试验中报难捕 捉到极鞭状态时碳纤维布的断裂应变，表中碳纤维布均采用试验粱破坏时的实测应变。 表27 试验粱加固前后钢筋应变值( 1 0 - 6 ) 1 0 表2 7 试验粱加固前后钢筋应变值( 1o _ 6 ) 2 5 试验分析 试验梁的力学性能受到多种因素的影响，如混凝土密实度的不同、主钢筋位置的偏差、混凝 土强度的差异等等，这必然影响到试验数据的可靠性。为消除上述不利影响，在分析某一粱的加 固效果时，对于正常使用状态下的指标如挠度、裂缝宽度与受拉钢筋应变等，均采用同一片粱的 数据。通过比较各梁加固前后在相同加载过程中的跨中挠度、受拉区钢筋应变的变化规律，研究 不同开裂状况预裂梁在正常使用荷载水平下的加固效果，与实际桥梁结构加固前后的荷载试验统 一起来，增加了室内试验数据与桥梁现场试验数据的可比性。下面分别研究预裂程度、持载水平 及配筋率等因素对加固效果的影响。 2 5 1 预裂程度对预裂粱加固效果的影晌 加载史对预裂梁加固效果的影响是将试验粱加载到一定程度后卸载，即不同的预裂程度，然 后再进行粘贴加固，目的在于模拟实际公路桥梁不同的加载史或不同的开裂程度。试验设计时， 取f a l ，f a 4 与f a 3 进彳j ：对比试验，分别对应着完整梁、5 0 预裂梁及7 0 预裂梁。 主冒奎些盔警霉土主譬鲨銮重三霉盆监蜃錾鉴奎蛰冒翅簋鎏嚣占鎏型誉莓鳖蟹毒 比较表2 6 中试验梁的极限荷载值，试验梁f m 、f a 3 与f a 4 的极限荷载值相当接近。试验 时，各梁均加载到1 2 0 4 8 k n 左右时无法继续承载而破坏，较参考梁f a 0 提高了6 。由此可见， 对于以碳纤维拉断为极限状态的试验梁，预裂程度的不同几乎不影响粱的极限承载能力。在小于 1 6 k n i l l 时，加固后预裂梁的挠度普遍偏大，这是由于预裂削弱了原截面的刚度造成的。当弯矩 大于1 6 k n i l l 后，由于碳纤维布逐步参与受力，加固后的挠度值明显小于加固前的值。在5 0 极 限荷载( 6 0 k n ) 作用- 卜，试验粱f a 4 跨中挠度由加固前的5 2 4 m m 降为加固后的4 4 6 m m ，降低了 1 4 9 ，而试验梁f a 3 跨中挠度由加周前的5 2 3 m m ( 根据预裂梁在该阶段受力的弹性性质推算得 到) 降为加固后43 5 m m ，降幅达1 6 8 。同时，比较表5 中f a 3 、f a 4 在该荷载作用下的钢筋降 低幅度，f a 3 由加固前的1 3 2 3 p e ( 按预裂梁在该阶段的线弹性性质推算得到) 降为加固后的1 0 5 7 9 e ， 下降了2 0 1 ，f a 4 下降了1 6 3 ，这说明，在正常使用荷载作用下，粘贴碳纤维布加固预裂梁 可明显提高的截面抗弯刚度，降低受拉区钢筋应变，并且，预裂程度越大，改善效果越明显。 2 5 2 持载程度对预裂粱加固效果的影晌 持载加固问题与二次受力问题是相似的，国内外对这一问题的研究较多，这里主要针对同一 荷载水平作用下的持载加固粱与预裂加固梁来进行分析。试验时，由于所用的粘贴胶须养护7 天 左右，对试验粱f a 2 持载2 4 小时使胶完全固化后卸载养护。卸载后可明显发现原裂缝处碳纤维 布有明显的褶皱，由于胶已经固化，粘贴的碳纤维布与粘结面之间已不可能有相对位移，即胶固 化后，卸载养护与持载不会对试验梁的检测结果不会产生太大的影响。 由表26 可知，f a 2 、f a 4 的极限荷载分别比参考梁增加了1 01 和5 9 9 6 ，但这并不意味着 持载对承载能力提高幅度大。根据= 者的破坏形态，如图2 1 7 、图2 1 8 所示，f a 2 破坏时，碳 纤维布断裂比较平齐，各碳纤维束受力比较均匀，碳纤维布可以承受比较高的拉力，从而增加了 加固粱的极限承载能力。f a 4 梁发生破坏时，碳纤维布端面呈明显的交错状，且断口处纤维束粘 结树脂浸渍不充分，导致各碳纤维束受力不均匀，碳纤维布的断裂始于应力水平较高的碳纤维柬， 最终发生了类似撕裂状拉断破坏，影响了碳纤维布整体强度的发挥，降低了加固后梁的承载能力。 从理论上，只要最终发生的是碳纤维布的拉断破坏，即极限状态时受拉区的总应变与初始应变之 差大于碳纤维布的极限应变，那么，持载与否不会影响抗弯构件的极限承载能力。 圈21